有机材料因其结构多样性和功能可调性等优点，近年来备受关注，被视为新型可充电电池极具竞争力的电极材料。然而，有机材料往往面临着活性基团利用率低、易溶于电解液等问题，容易引发电极容量和循环稳定性衰减，特别是在高倍率充放电时表现得尤为突出。此外，有机电极材料的性能也取决于电荷载体的扩散/吸附动力学。相对于Zn2+，质子（H+）因其非常小的离子半径和质量，能够实现快速稳定的反应动力学，是锌-有机电池理想的电荷载体。然而，如何设计兼具高活性、高效质子存储、结构稳定的有机电极材料在水系锌-有机电池研究中颇具挑战。
近日，同济大学化学科学与工程学院刘明贤教授研究团队，构建了质子传导超分子氢键有机超结构，揭示了超结构氢键网络中快速稳定的Grotthuss质子传导机制，促进羰基位点的高效利用和低反应能垒的质子耦合氧化还原反应，实现了水系锌-有机电池高比容量、高倍率性能和长循环寿命的协同输出。
实验结果和理论计算表明：电子属性互补的三聚氰酸（电子受体）和1,3,5-三嗪-2,4,6-三胺（电子给体）通过分子内氢键（N−H‧‧‧O and N−H‧‧‧N）和π−π平面堆叠自组装形成花状超分子氢键超结构，其超分子氢键网络展示出很强的亲电子活性和较低的能带间隙，显著提高了电子转移动力学和电极氧化还原速率。
原位/异位光谱研究表明：高度稳定的氢键超结构能有效抑制活性官能团溶解，充分暴露羰基电活性中心，从而引发高度可逆的氧化还原反应。氢键网络克服了锌离子去溶剂化能垒过高引起的动力学过程迟滞问题，促进了超稳定和快速Grotthuss质子传输，实现了锌-有机电池中质子主导的电荷存储。
第一性原理计算、差分电荷分析和计算流体力学模拟表明：i）氢键超结构单元经历了两步连续的九电子氧化还原反应过程；ii）羰基位点与质子间存在强相互作用，发生明显的电荷传输，促进电极/电解质界面电荷累积；iii）氢键网络中独特的Grotthuss质子传导机制，有效降低了离子的扩散迁移势垒，显著提高了水系锌-有机电池中的质子存储容量。
超分子氢键有机超结构材料用于水系锌-有机电池时，表现出高比容量（311 mAh g-1@1A g-1）、高倍率性能（135 mAh g-1@150 A g-1）和长循环稳定性（50,000次充放电后容量保持率为92.3%）。这项研究为解决有机材料的固有问题，构建高性能锌-有机电池提供了一种新的策略。
论文信息
Proton-Conductive Supramolecular Hydrogen-Bonded Organic Superstructures for High-Performance Zinc−Organic Batteries
Dr. Ziyang Song, Dr. Ling Miao, Prof. Laurent Ruhlmann, Dr. Yaokang Lv, Prof. Liangchun Li, Prof. Lihua Gan, Prof. Mingxian Liu
论文的第一作者是同济大学化学科学与工程学院博士后宋子洋。
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202219136
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